CN107807155A - 一种ect/mwt双模态成像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种ECT/MWT双模态成像传感器，微波传感组件和电容传感组件位于同一被测截面或者两者间距较小，将微波传感组件和电容传感组件图像进行加权叠加，就可以得到融合成像结果，融合成像结果包含单一成像模态所不具备的特征，更能反映流体的真实流动状态；电容传感组件成像速率可达几百帧每秒，能捕捉到连贯的流体流形演变过程，具有很高的成像速率和灵敏度；微波传感组件能对高湿度介质成像，工况适应性强，应用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种ECT/MWT双模态成像传感器。
背景技术
过程层析成像技术为近些年发展起来的过程参数测量技术，在医疗、化工、能源等领域有着普遍应用。与传统测量手段相比，过程层析成像技术具有在不干涉被测介质运动的条件下，直接对其内部成像的优点。常见的过程层析成像技术有磁共振成像(MagneticResonance Imaging，MRI)、电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，ERT)、电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)、微波层析成像(MicrowaveTomography，MWT)等。目前已有的过程层析成像可分为单一成像模态运行和多成像模态融合两类。
电容层析成像是根据测得的围绕被测区域各电极对间的电容值，反推出被测介质空间分布的一种可视化测量技术。由于其具有结构简单、无辐射、成像速度快、低成本等特点，常应用于石油管道流、流化床颗粒流监测。
微波层析成像是一种非接触式测量技术，其原理为用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的复介电常数分布，从而可反推出物体的浓度分布。复介电常数通常可表示为：ε＝ε’-iε”，其中，实部与实介电常数意义相同，虚部可等效表征为电介质的电导。常温下水的复介电常数虚部较大，约为40，而常见颗粒介质，如河沙、煤粉干燥条件下的值均小于1。利用这个特点，同时结合复介电常数实部信息，可根据微波层析成像来计算介质湿度分布。
多成像模态的融合技术是指用多种成像方法同时对某一对象进行测量的方法，如ECT和ERT的融合。该技术可以实现不同测量方法的功能互补。
单一成像模态和多成像模态融合具有一定技术缺陷，比如，对于ECT成像装置，当被测物体湿度较高时，会超出数据采集系统量程范围，此时被测物质的电学性质已接近导体，无法进行电容的测量，因此，ECT装置不能测量湿度较高的物质，使得其适应范围有限。而MWT成像装置成像速率慢，每秒最多30帧，灵敏度较差。因此，本领域亟需一种成像速度快且测量范围广的成像传感器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种ECT/MWT双模态成像传感器。
(二)技术方案
本发明提供了一种ECT/MWT双模态成像传感器，包括：微波传感组件20和电容传感组件30；其中，所述微波传感组件20和电容传感组件30设置在被测管道外壁，所述微波传感组件和电容传感组件同时工作，进行ECT/MWT融合成像。
优选地，所述ECT/MWT双模态成像传感器为分离式传感器，所述微波传感组件20和电容传感组件30沿所述被测管道轴向并排分布。
优选地，所述ECT/MWT双模态成像传感器为整体式传感器，微波传感组件20和电容传感组件30位于所述被测管道同一轴向位置，构成一整体式传感组件40。
优选地，所述微波传感组件20包括：多个微波天线21和第一金属屏蔽壳22；其中，所述微波天线21之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，所述第一金属屏蔽壳22覆盖所述微波天线21和被测管道外壁。
优选地，所述电容传感组件30包括：多个电容电极31和第二金属屏蔽壳32，其中，所述电容电极31之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，所述第二金属屏蔽壳32覆盖所述电容电极和被测管道外壁并且接地。
优选地，所述整体式传感组件40包括多个微波天线21、多个电容电极31和第三金属屏蔽壳41；其中，所述微波天线21与电容电极31相互交叉排列并紧贴在被测管道外壁，所述第三金属屏蔽壳41覆盖所述微波天线21、电容电极31和被测管道外壁并且接地。
优选地，所述被测管道为方形管道或长方形管道，在被测管道的每个面，每一电容电极位于相邻两个微波天线之间。
优选地，所述被测管道为方形管道或长方形管道，在被测管道的每个面，每一微波天线位于相邻两个电容电极之间。
优选地，所述电容电极31为铜片，所述第二金属屏蔽壳32为柔性长方形铜片。
优选地，所述第三金属屏蔽壳41为柔性长方形铜片。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的ECT/MWT双模态成像传感器具有以下有益效果：
(1)本发明的成像结果优于单一成像模态；本发明的微波传感组件和电容传感组件位于同一被测截面或者两者间距较小，将微波传感组件和电容传感组件图像进行加权叠加，就可以得到融合成像结果，融合成像结果包含单一成像模态所不具备的特征，更能反映流体的真实流动状态；
(2)本发明的测量和成像速率快、灵敏高；本发明的电容传感组件成像速率可达几百帧每秒，能捕捉到连贯的流体流形演变过程，具有很高的成像速率和灵敏度；
(3)本发明的工况适应性强，可以应用于被测介质湿度很高的工况；本发明的微波传感组件能对高湿度介质成像，工况适应性强，应用范围广。
附图说明
图1为本发明第一实施例的ECT/MWT双模态成像传感器的示意图，其中(a)为俯视图，(b)和(c)分别为沿A-A和B-B的截面图；
图2为本发明第二实施例的ECT/MWT双模态成像传感器的示意图，其中(a)为俯视图，(b)为沿A-A的截面图；
图3为ECT/MWT双模态测量方案示意图；
图4为本发明实施例的另一种结构的ECT/MWT双模态成像传感器示意图，(a)为微波传感组件的截面图，(b)为电容传感组件的截面图；
图5为本发明实施例的又一种结构的ECT/MWT双模态成像传感器示意图，(a)为微波传感组件的截面图，(b)为电容传感组件的截面图；
图6为本发明实施例的又一种结构的ECT/MWT双模态成像传感器的截面示意图；
图7为本发明实施例的再一种结构的ECT/MWT双模态成像传感器的截面示意图；
图8为本发明实施例的再一种结构的ECT/MWT双模态成像传感器的截面示意图。
【符号说明】
10-被测管道；
20-微波传感组件；21-微波天线；22-第一金属屏蔽壳；
30-电容传感组件；31-电容电极；32-第二金属屏蔽壳；
40-整体式传感组件；41-第三金属屏蔽壳。
具体实施方式
过程层析成像系统一般包括传感器、数据采集装置和成像计算机三大部分，传感器一般位于流体流动的管道或腔体外侧，数据采集装置采集传感器的信号并将信号送入成像计算机按一定算法进行图像重建，就可以得到管道或腔体截面的图像。本发明正是提供了一种ECT/MWT双模态成像传感器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明第一实施例中，如图1所示，提供了一种ECT/MWT双模态成像传感器，该ECT/MWT双模态成像传感器为分离式传感器，其包括：分离式的微波传感组件20和电容传感组件30，微波传感组件20和电容传感组件30设置在被测管道外壁、并沿被测管道轴向并排分布，其中，被测管道10为方形管道，其内部为该ECT/MWT双模态成像传感器的测量对象，该微波传感组件20位于被测管道的轴线的第一位置，电容传感组件30位于被测管道的轴线的第二位置，即微波传感组件20和电容传感组件30分别设置在被测管道的不同轴线位置处的截面上，二者之间相隔预定距离。
被测管道10由非导电材料制成，可以采用塑料、有机玻璃，其垂直于轴线的横截面呈正方形。
其中，微波传感组件20包括：16个微波天线21和第一金属屏蔽壳22，其中，16个微波天线21之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，被测管道的每个面包括4个微波天线，第一金属屏蔽壳22覆盖16个微波天线21和被测管道外壁，可以减少外部干扰，提高微波传感组件的测量精度。
电容传感组件30包括：12个电容电极31和第二金属屏蔽壳32，其中，12个电容电极31之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，被测管道的每个面包括3个电容电极，电容电极的外侧为第二金属屏蔽壳32，第二金属屏蔽壳32覆盖12个电容电极和被测管道外壁，在测量时第二金属屏蔽壳32接地，作为电容传感组件的外屏蔽使用。
微波传感组件20与电容传感组件30之间相隔大于5cm。根据测量需求，电容电极31由导电性能优良的金属制成，如铜片，电容电极的高度(沿被测管道轴线的长度)大于5cm；电容电极的宽度(沿垂直于被测管道轴线且沿外壁延伸的方向的长度)视电容电极的数量而定，所有电容电极的宽度之和大于被测管道的垂直于轴线的截面轮廓的周长的70％。第二金属屏蔽壳32为柔性长方形铜片，其宽度(沿被测管道轴线的长度)要大于电容电极的高度。
本发明第二实施例的ECT/MWT双模态成像传感器，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
如图2所示，该ECT/MWT双模态成像传感器为整体式传感器，其包括：设置在被测管道外壁、位于被测管道同一轴向位置的微波传感组件和电容传感组件，即微波传感组件和电容传感组件设置在被测管道的同一轴线位置处的截面上，构成一整体式传感组件40。
其中，整体式传感组件40包括16个微波天线21、12个电容电极31和第三金属屏蔽壳41。16个微波天线21与12个电容电极31相互交叉排列并紧贴在被测管道外壁，在图2中，被测管道的每个面包括4个微波天线和3个电容电极，每一电容电极位于相邻两个微波天线之间，电容电极与微波天线之间间隔预定距离，该预定距离大于2mm。
微波天线21和电容电极31的外侧为第三金属屏蔽壳41。第三金属屏蔽壳41覆盖16个微波天线21、12个电容电极31和被测管道外壁，在测量时第三金属屏蔽壳41接地，其同时作为电容传感组件和微波传感组件的外屏蔽使用。第三金属屏蔽壳41选用柔性长方形铜片材料，其宽度(沿被测管道轴线的长度)要同时大于电容电极及微波天线的高度。
本发明第一实施例和第二实施例的ECT/MWT双模态成像传感器，可用于在不同频率范围内测量具有不同湿度的过程电学参数，上述两个实施例的传感器在测量时，微波传感组件和电容传感组件同时工作，ECT成像和MWT成像同时进行。微波是一种频率范围为300MHz～300GHz的电磁波，而电容电极激发频率通常为1KHz～500KHz。对于第一实施例的ECT/MWT双模态成像传感器，由于两传感组件处于不同截面且有一定距离，测量过程的相互干扰可忽略。对于第二实施例的ECT/MWT双模态成像传感器，为减少两者同时测量时的相互干扰，可将微波传感组件和电容传感组件采集的数据用数字滤波的方法分别滤掉低频频段和高频频段，再分别进行图像重构，得到测量结果，由于两种传感组件的工作频段相差较大，可以实现较好的滤波和测量效果。
由此可见，本发明提供了分离式和整体式传感组件这两种传感器类型，即ECT传感器和MWT传感器可以位于不同或相同被测截面，适应性广，可根据测量需要灵活选择以适应多种工程应用。
本发明提供了优于单一成像模态的成像结果，本发明的ECT/MWT双模态成像传感器可用于多相流测量中，尤其适用于对管流进行成像，可以将ECT/MWT双模态成像传感器直接连接在介质流动通路的管道上进行使用。由于微波传感组件和电容传感组件位于同一被测截面或者两者间距较小，可认为流体介质在分别通过两测量区域时为同一流动状态，所以微波传感组件和电容传感组件所成图像描述的应为相同流形，将微波传感组件和电容传感组件图像进行加权叠加，就可以得到融合成像结果。具体的每种图像的权重可根据流体的湿度、浓度等信息确定，大小值可通过相同介质的静态试验预先选择。融合成像结果包含单一成像模态所不具备的特征，更能反映流体的真实流动状态。
本发明的测量和成像速率快、灵敏高。工程应用常需要能在线对运行中的设备进行优化控制或故障诊断，其过程一般为，首先将测量的结果进行分析处理，给出需要实施的控制方案，然后通过反馈调节具体执行。这就要求所采用的传感器成像速率尽可能快，且对被测区域流动的变化反应灵敏。由于ECT成像速率可达几百帧每秒，能捕捉到连贯的流体流形演变过程。所以应用本发明进行实时测量时，应该以ECT成像结果为主，以MWT成像结果为辅，根据需要对图像进行取平均、分割、锐化等操作，再根据预定的评价标准，判断流动状态并诊断故障。
本发明的工况适应性强，可以应用于被测介质湿度很高的工况。通常ECT也具有测量介质湿度的功能，但当管流中被测介质湿度较高或波动较大时，会超出ECT的测量范围，单纯ECT测量结果已不能满足成像要求。这时可以利用MWT能对高湿度介质成像的特点，得到相应物质分布。另外，测量结果包含介质的复介电常数分布，通过计算可得到湿度分布，所以应用本发明进行高湿度介质测量时，应该以MWT成像结果为主，以ECT成像结果为辅，ECT/MWT双模态测量的方案可以归结为图3的形式。
虽然第一实施例对本发明的ECT/MWT双模态成像传感器的结构进行了描述，但本发明并不限于此，本发明的ECT/MWT双模态成像传感器的结构可以根据被测管道形状的变化而调整，其还可以采用如下结构形式，以下ECT/MWT双模态成像传感器的结构和功能与第一实施例中相同的部分，在这里不再复述。
如图4所示，在该ECT/MWT双模态成像传感器中，被测管道为长方形管道，其沿垂直于轴线的截面为长方形，微波传感组件包括14个微波天线21，被测管道长边所在的面包括4个微波天线，其短边所在的面包括3个微波天线；电容传感组件包括20个电容电极31，被测管道长边所在的面包括6个电容电极，其短边所在的面包括4个微波天线，该ECT/MWT双模态成像传感器适用于对长方形管道进行测量。
如图5所示，在该ECT/MWT双模态成像传感器中，被测管道为圆形管道，其沿垂直于轴线的截面为圆形，微波传感组件包括16个微波天线21，16个微波天线21之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁；电容传感组件包括16个电容电极31，16个电容电极31之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，该ECT/MWT双模态成像传感器适用于对圆形管道进行测量。
同样，虽然第二实施例对本发明的ECT/MWT双模态成像传感器的结构进行了描述，但本发明并不限于此，本发明的ECT/MWT双模态成像传感器的结构可以根据被测管道形状的变化而调整，其还可以采用如下结构形式，以下ECT/MWT双模态成像传感器的结构和功能与第二实施例中相同的部分，在这里不再复述。
如图6所示，在该ECT/MWT双模态成像传感器中，整体式传感组件包括12个微波天线21和16个电容电极31，12个微波天线21与16个电容电极31相互交叉排列并紧贴在被测管道外壁，被测管道的每个面包括3个微波天线和4个电容电极，每一微波天线位于相邻两个电容电极之间。
如图7所示，在该ECT/MWT双模态成像传感器中，被测管道为长方形管道，其沿垂直于轴线的截面为长方形，整体式传感组件包括12个微波天线21和16个电容电极31，被测管道长边所在的面包括4个微波天线和5个电容电极，其短边所在的面包括2个微波天线和3个电容电极，每一微波天线位于相邻两个电容电极之间，该ECT/MWT双模态成像传感器适用于对长方形管道进行测量。同样地，微波天线和电容电极的排列方式不限于此，该ECT/MWT双模态成像传感器的每一电容电极也可以位于相邻两个微波天线之间。
如图8所示，在该ECT/MWT双模态成像传感器中，被测管道为圆形管道，其沿垂直于轴线的截面为圆形，整体式传感组件包括8个微波天线21和8个电容电极31，其相互交叉排列并紧贴在被测管道外壁，该ECT/MWT双模态成像传感器适用于对圆形管道进行测量。
虽然上述实施例给出了相应的微波天线和电容电极的数量，但本发明并不限于此，在被测截面数量、被测截面外形、微波天线与电容电极排列顺序相同的前提下，微波天线数量范围为8～20，电容电极数量范围为8～20。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的ECT/MWT双模态成像传感器有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)ECT/MWT双模态成像传感器还可以用于其它形状的管道；
(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
综上所述，本发明提供一种ECT/MWT双模态成像传感器，其提供了优于单一成像模态的成像结果，测量和成像速率快、灵敏高，工况适应性强，可以应用于被测介质湿度很高的工况。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，包括：微波传感组件(20)和电容传感组件(30)；其中，
所述微波传感组件(20)和电容传感组件(30)设置在被测管道外壁，所述微波传感组件和电容传感组件同时工作，进行ECT/MWT融合成像。
2.如权利要求1所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述ECT/MWT双模态成像传感器为分离式传感器，所述微波传感组件(20)和电容传感组件(30)沿所述被测管道轴向并排分布。
3.如权利要求1所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述ECT/MWT双模态成像传感器为整体式传感器，微波传感组件(20)和电容传感组件(30)位于所述被测管道同一轴向位置，构成一整体式传感组件(40)。
4.如权利要求2所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述微波传感组件(20)包括：多个微波天线(21)和第一金属屏蔽壳(22)；其中，所述微波天线(21)之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，所述第一金属屏蔽壳(22)覆盖所述微波天线(21)和被测管道外壁。
5.如权利要求2所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述电容传感组件(30)包括：多个电容电极(31)和第二金属屏蔽壳(32)，其中，所述电容电极(31)之间间隔预定距离、均匀紧贴在被测管道外壁，所述第二金属屏蔽壳(32)覆盖所述电容电极和被测管道外壁并且接地。
6.如权利要求3所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述整体式传感组件(40)包括多个微波天线(21)、多个电容电极(31)和第三金属屏蔽壳(41)；其中，
所述微波天线(21)与电容电极(31)相互交叉排列并紧贴在被测管道外壁，所述第三金属屏蔽壳(41)覆盖所述微波天线(21)、电容电极(31)和被测管道外壁并且接地。
7.如权利要求6所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述被测管道为方形管道或长方形管道，在被测管道的每个面，每一电容电极位于相邻两个微波天线之间。
8.如权利要求6所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，
所述被测管道为方形管道或长方形管道，在被测管道的每个面，每一微波天线位于相邻两个电容电极之间。
9.如权利要求5所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，所述电容电极(31)为铜片，所述第二金属屏蔽壳(32)为柔性长方形铜片。
10.如权利要求6所述的ECT/MWT双模态成像传感器，其特征在于，所述第三金属屏蔽壳(41)为柔性长方形铜片。
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